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颜霞 规划入门

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[新知] 市政基础设施:低碳生态与新型能源

时间:2020-7-10 07:09 0 1206 | 复制链接 |

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文章推荐,来自微信公众号:UPDIS共同城市,作者:刘应明、朱安邦

一 、低碳生态市政基础设施规划与管理

1.1 低碳生态基础设施由来

20世纪90年代以来,针对温室气体排放、全球气候变暖,学术界又提出低碳城市、生态城市等概念。2011年住房和城乡建设部发布《低碳生态试点城(镇)申报管理暂行办法》,启动我国低碳生态城市建设的试点工作。城市市政基础设施功能是维持城市正常运转最为重要的基础设施,作为低碳生态城市建设的重要内容和支撑条件,市政基础设施的低碳化和生态化愈加显示出其重要性,成为市政基础设施建设新的发展方向。

1.2 低碳生态城市建设要求

“低碳”主要体现在以低污染、低排放、低能耗、高能效、高效率、高效益为特征的新型城市发展模式;“生态”则主要体现在资源节约、环境友好、居住适宜、运行安全、经济健康发展和民生持续改善等方面。因此,低碳生态城市是可持续发展在城市发展中的具体化,是低碳经济发展模式和生态化发展理念互相融合而成的新型城市发展形态。依据城市规划设计要素和低碳生态发展理念要求,低碳生态城市系统构建通常由绿色低碳交通、绿色低碳建筑、低碳生态产业、低碳生态市政、低碳生态空间和城市绿化碳汇等六部分组成。

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低碳生态城市系统要素构成

1.3 低碳生态市政关键技术

低碳生态市政基础设施是承担城市资源与能源生产、传输、废弃物处理等环节的重要载体。按照市政系统要素分类,低碳生态市政基础设施可以分为水系统、能源系统、废弃物处理、综合管廊和智慧通信等五大类子系统,每类子系统都包含了若干项先进技术。虽然低碳生态市政技术随着科技的发展一直在更新优化,不断有新的技术涌现出来,但是为更具参考价值,这里提及的低碳生态市政技术,主要为当前国内外应用较为主流,或颇受关注、具有广阔应用前景的低碳生态市政技术类别。

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低碳生态市政技术类别

1.4 低碳生态市政基础设施运维管理

低碳生态市政基础设施的规划与建设过程其实是在传统市政基础设施中融入新的理念、新的技术、新的措施的过程;城市人民政府是低碳市政基础设施规划建设的责任主体,城市人民政府下设的职能部门根据其职责分工承担相应的管理职责。由于各地政府职能部门分工有所不同,因此,需要因地制宜确定其低碳生态市政基础设施规划建设组织管理中的职能分工。

低碳生态市政基础设施既涉及相对独立的项目,如再生水厂、海水淡化厂、分布式能源供应场站、垃圾焚烧发电厂等,又涉及纳入地块建设的附属设施,如雨水收集利用设施、分布式太阳能利用设施、垃圾气力回收管道等,因此,低碳市政基础设施的建设管理应分别根据不同情况采取相应的方式。

低碳生态市政基础设施是低碳生态城市的重要组成部分,由于建设理念先进、规划设计复杂、产业发展滞后,其建设成本相对较高。同时,低碳生态市政基础设施往往具有外部经济性,仅通过市场调节机制推动低碳生态市政基础设施的发展无法实现社会福利最大化,需要国家制定相应的激励政策来平衡各方主体的经济利益,最大化社会效益,从而不断推动低碳生态市政基础设施的发展。

二 、新型能源基础设施规划与管理

2.1 太阳能利用设施

太阳能发电主要分为光热发电和光伏发电,一般所说的太阳能发电是指光伏发电。光伏发电设施系统主要包括太阳能电池、控制器、逆变器和蓄电池四大部分。光伏发电系统按是否接入公共电网分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统,独立光伏发电系统也叫离网光伏发电系统,而并网光伏发电相较于离网光伏发电可减少储能环节,是目前较为常用的方式。

2.2 风力发电设施

风能是世界上市场发展最快、分布最为广泛的可再生清洁能源之一,每年可开发能量约为5.3×1013kWh,虽然风能开发量很可观,但是由于风能本身存在着风速不稳定、功率密度比较低等天然缺陷,导致风能的开发利用困难重重。尽管面临种种困难,但随着科技发展设备升级,风力产生的电力已超过全世界用电量的1%。风能虽然对大多数国家而言还不是主要的能源,但正处于高速的增长通道中。

风力发电系统由风电机、转子叶片、齿轮箱、偏航装置等构成。其系统类型包括两种类型。

(1)独立型:独立型风力发电系统通常为装机容量在10kW以下的系统,这类系统往往存在于偏远地区,独立于传统电力系统之外,如海岛等,常与蓄电池或其他能源发电方式共同解决小片区的用电问题。

(2)并网型:并网型风力发电系统常见装机容量在数百千瓦至兆瓦级别,这类系统通常并入传统电力系统运行,也是世界范围内最主流的风电生产方式。

2.3 生物质能利用

生物质能是一种将太阳能以化学能形式贮存在秸秆、草木、木屑、垃圾等生物质中的能量形式,即以生物质为载体的能量。生物质能具有绿色、可再生等特点,属于可再生能源之一。

根据具体载体形式的不同,生物质能可以分为农村生物质能和城市生物质能。其中,前者主要是指秸秆、草木等农林生产废弃物或木屑、果壳等农林加工废弃物,后者主要是指城市生活垃圾。

目前,应用较多的生物质能利用方式包括生物质发电、生物质制液体燃料和生物质制沼气,其中生物质发电是应用最为广泛的技术,其基本原理为将生物质转化为可燃物燃烧发电。

2.4 天然气分布式能源

天然气分布式能源是指利用天然气为燃料,通过冷热电三联供等方式实现能源的梯级利用,综合能源利用效率在70%以上,并在负荷中心就近实现能源供应的现代能源供应方式,是天然气高效利用的重要方式。与传统集中式供能方式相比,天然气分布式能源具有能效高、清洁环保、安全性好、削峰填谷、经济效益好等优点。

天然气分布式能源系统构成随着资源条件、负荷需求、能源价格等因素的变化而变化,不具有统一的模式,但是根据能源梯级利用的原理,其结构基本可分为动力模块、余热利用两大模块,余热利用模块按照梯级利用原理,多数时候又可分为制冷模块、制热模块。

【天然气分布式能源设施建设案例】

(1)美国MIT热电冷项目

该项目在1995年实施系统改造,目前主要由3台4500kW的索拉Centaur型燃机、补燃型余热锅炉以及溴化锂热水制冷站组成。该项目运行情况好,自动化水平高,制冷系统具备较高的灵活性,外网补充20%的电力,能源综合利用效率达80%。

MIT热电冷项目是较为典型的园区型天然气分布式能源项目,得益于美国本地较低的气电价比和发电设备的自主研发能力,该项目在节能性和经济性方面都取得很好的效果。

(2)日本芝浦三联供项目

该项目供电机组由4台1100kW燃机、4台余热锅炉以及8台蒸汽溴化锂机组等设备组成。该系统满足了商业办公大楼群全部冷热需求和部分电力需要,综合效率为74.4%,冬季采暖与夏季供冷共用管网。

该项目到目前为止仍然作为日本示范性项目,负荷匹配,管理有效,经济性好,是高容积率建筑或大型商业集中区建立分布式能源的典型性示范项目。

(3)上海浦东机场天然气分布式能源站项目

该项目于2000年正式投入使用,投资3600万元,由一台4000kW燃气轮机发电机组、一台11吨/时余热锅炉、4台4000冷吨/小时的制冷设备、2台1200冷吨/时的制冷设备、4台1500冷吨/时余热蒸汽型溴化锂吸收式制冷机组和3台30吨/时的燃气锅炉组成。

该项目是国内较为成功的天然气分布式能源项目之一,成功的原因主要在于有良好的冷热电负荷环境,并采用了低装机容量设计,且由于项目存在常年的蒸汽用热需求,使得机组当量满负荷运行小时数长、效率高,因而可取得较好的节能效益和经济效益。

三、电动汽车充电基础设施规划与管理

3.1 电动汽车产业化发展情况

电动汽车是人类近年来为数不多的产业机遇。由于车辆驱动能量形式发生了根本变化,加上石油能源危机越来越严重,以燃油为主体的汽车技术亟待更新,电动汽车的出现提供了解决这些问题的新途径。传统汽车生产企业已经形成了较为完善的产业链,而电动汽车无论是在技术方面还是市场普及方面都有很长的一段路要走。

世界上电动汽车保有量的80%集中于中、美、日本、荷兰以及挪威这5个国家。急速增长的电动汽车销售市场,使中国在2015年保有量首次超越美国,攀升至第一位,成为全球最重要的电动汽车市场,也是世界上最大的电动公交车市场。

(1)美国电动车发展情况

从2005年开始,美国对节能减排与电动汽车的支持力度逐步加大,先后在克林顿时期和小布什时期实施了“新一代汽车合作伙伴计划”“自由汽车计划”等国家级汽车产业发展计划,重点支持环境友好型汽车的研发及相关技术创新。截止2016年4月底,美国电动汽车保有量仅次于中国,位居全球第二位。

(2)德国电动车发展情况

2007年,德国政府通过了《综合能源与气候计划》,将电动交通工具作为主要内容之一,并提出制定电动交通工具领域的发展规划,在该计划框架下设立了“国家电动汽车平台”,推动该计划的实施。“国家电动汽车平台”在2011年发布的工作报告中,制定了德国电动汽车推广应用的时间表:1)将2010——2014年定义为“市场准备阶段”,重点是研发和开展示范项目;2)2015——2017年为“市场推广阶段”,重点是电动汽车及其配套基础设施的市场推广;3)2018——2020年是“规模化市场形成阶段”,实现可持续的商业化发展。

(3)日本电动车发展情况

早在1965年,日本通商产业省就启动了电动汽车研制项目。1971年,通商产业省制定了《电动汽车开发计划》,并多次投入巨资支持电动汽车开发和产业化项目。在日本政府在此后陆续制定的“阳光计划”“月光计划”、《国家能源战略》和《实现低碳社会行动计划》中均涉及了新型能源在汽车领域的应用。

2000年以来日本政府将发展电动汽车、燃料电池汽车等作为日本汽车产业重要发展方向,并制定了国家级的《新一代汽车战略2010》。围绕该战略,日本经济产业省等相关政策部门先后制定并实施了直接补贴、税收优惠、示范推广及其他配套支持等政策措施,推动构建新型汽车社会。截至2016年4月,日本电动汽车的累计销量达到15万辆,位居世界第三位,共占据自2004年以来全球销量的10%。

(4)中国电动车发展情况

据中汽协统计,2015年全国新能源汽车销售量为33万辆,同比增长3.4倍。在新能源乘用车领域,销量总计达207382辆。在新能源商用车领域,全年总销售量为12万辆同比增长6倍以上。2016年1-7月,我国累计完成20.7万辆的总体销量,同比122.8%的增幅依然呈现出高速增长的态势。

我国现有两批共计39个城市(群)88个城市列入新能源汽车推广示范城市群名单。各省市自主出台新能源汽车推广应用配套政策措施,开展新能源汽车推广应用工作。上海市、浙江省、安徽省在新能源汽车推广力度上较强,远超过其他省市。北京、深圳、广州三座一线城市,尽管推广数量上位居全国前列,但推广目标完成率并不高。大部分城市,尤其是传统东三省,囿于经济及产业发展状况,在新能源汽车推广方面大幅度落后于计划。

从新能源汽车推广类型上来看,过去几年中国主推纯电动汽车和混合动力汽车,而插电式混合动力汽车和燃料电池汽车推广数量有限。其中,上海、深圳、长株潭城市群(长沙、株州、湘潭)、郑州、沈阳等城市以推广混合动力汽车为主;北京、合肥、广西、青岛等省市则以推广纯电动汽车为主。

3.2 电动汽车充电基础设施发展概况

全球电动汽车充电设施,在过去的数年中,随着电动汽车产业的爆发式发展,也经历了一个急速增长的阶段。据国际能源组织公开信息显示,2012年,全球电动汽车充电桩仅有约5.4万根,不足现状的1/6。此后数年,电动汽车充电设施以年平均90%的增长速度迅速扩张。到2015年,全球电动汽车充电设施的总数达到了36.8万根,同比2014年的20.8万有大幅增长。从分类型充电设施的发展状况来看,私人充电设施增长速度略高于公共充电设施,总体保持相对均衡的增长态势。

尽管全球电动汽车充电设施,面对现状电动汽车的充电需求,仍存在较大的缺口,但电动汽车充电设施的增长率已经跟上全球电动汽车保有量的增长率,全球电动汽车与充电设施的车桩比值正在逐步缩小。

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全球电动汽车充电桩(2012-2015年)

中国及日本,是公共充电设施领域中占全球前两位的国度。截止至2015年,合计建设有超过全球1/2的快速充电设施。在日本,一个快速充电桩平均需服务21辆电动汽车,而在中国则是25辆。这一数据目前在全球范围内都处于领先地位。而同样的指标,即快速充电桩的车桩比,在美国则高达100至130。

在当前充电设施建设的快速发展阶段,各国公共充电桩的车桩比数据对于充电设施数量的发展规划具有一定的指导意义。但因为各国电动汽车的推广数量在汽车整体市场中的占比还太低,尚未有任何国家具备代表车桩比的最佳平衡点。

本文内容摘自中国建筑工业出版社《新型市政基础设施规划与管理》系列丛书,丛书主要作者:司马晓、丁年、刘应明、俞露、任心欣、韩刚团、杜兵、曾小瑱、江腾、卢媛媛,责任编辑:朱晓瑜。丛书成果形成书摘,于2020年4月底,由中国建筑出版传媒有限公司“建设智库简报”(智库书摘)专刊出版,并报送住房和城乡建设部、中宣部等部门。本文由刘应明、朱安邦共同整理。

作者:刘应明,教授级高级工程师,深圳市城市规划设计研究院副总工程师;朱安邦,哈尔滨工业大学市政工程硕士,现就职于深圳市城市规划设计研究院
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